浅谈塑料光纤在短距离通信中的应用

一、引言

  我们知道,在长距离通信中光纤早已唱起了主角,而在短距离如家庭内、交通工具内、办公大楼及办公室内的通信和多媒体传输中光纤的运用目前却还很少。但 随着INTENRET数据通信、视频点播、可视电话、电视会议等多媒体业务的迅速扩大,对物理网络的宽带化、高速化提出了更高的要求,使光纤到户和光纤到 桌面的传输网络逐步取代现有的光电混合形式成为最理想的传输网络,为用户提供宽带高速的信息服务,从而推动了全光交换技术的不断发展。在全光交换网络中, 为用户提供宽带高速的信息服务,从而推动了全光交换技术的不断发展。在全光交换网络中,石英光纤来说,传输带宽和电磁兼容完全能满足使用要求,且网络技术 很成熟,便熔接及器件成本高使其作为接入媒介主力受到限制。而塑料光纤在高速短距离通信传输中成本也对称电缆相当,在100米范围内传输带宽可达数 GHz,且易连接,可挠性好、易于弯曲等优势,尽管目前其系统性能还处于研究或应用初期阶段,但它在未来短距离通信中所担当的角色是不可忽视,它在价格及 性能上的优势,使其在网络全光化中入户接入方面的应用具有广泛的前景。

  二、塑料光纤及塑料光纤网络的优势

  目前室内短距离信息传输媒介或技术主要有以下几种:

  1、以基于铜导体的对绞线的同轴电缆

  这一种使用成本低且满足现实需求而使用最多,但若满足用户将来对带宽和速率的更高要求,需要为克服电磁干扰、信息保密、扩大带宽、提高传输速率、保证传输距离等投入很高的研究资金,使用成本也因使用昂贵复杂的电子装置而变得很高,综合竞争力降低。

  2、单模和多模石英光纤

  该种技术比较成熟,但石英光纤芯径很细(-10μm)导致连接困难而成本较高,光电子器件技术要求高、价格昂贵,其易脆断和弯曲损耗限制其在狭窄空间中安装使用。

  3、红外及短距离移动通信等无线技术

  此种技术在目前比较热闹门,世界各国对移动通讯的技术研究投入很大,技术也日新月异,相关产品更新换代速度很快,但当数据无线传输技术应用于象室内、 交通工具内这样的短距离通讯时其使用成本就比较高,且电磁干扰问题、环境影响问题、传输带宽和速率问题,或为解决这些问题所必须的高研究成本和昂贵的使用 设备投入等将会是其在短距离通信中应用的主要障碍。从现实实用和技术研究发展趋势看,要克服铜导体和无线传输技术的缺陷,POF是实现短距离高速传输的优 先选择目标。

  塑料光纤(POF)与石英光纤相比,具有以下优点:

  *模量低,芯径大(0.3-1.0mm),接续时可使用简单的POF连接器,即使是光纤接续中心对准产生30μm的偏差也不会影响耦合损耗;

  *数值孔径大(NA0.5左右),受光角θA可达60°,而石英光纤只有16°,可用便宜的LED,并且耦合效率高;

  *挠曲性好,易于加工和使用;

  *在可见光区有低损耗窗口;

  *重量轻;

  *成本及加工费用低。

  POF网络在局域网系统中与其它传输介质相比,具有明显的优点:

  *POF对电磁干扰不敏感,也不发生辐射,不同数据速率下的衰减恒定,误码率可预测,能在电噪声环境中使用;

  *其尺寸较长,可降低接头设计中公差控制的要求,故成网成本较低等。

  现将POF与目前成本低、室内接入使用最流行的铜介质作比较:

  目前SI型POF的使用成本与UTP-5电缆的相当,但传输性能和环境适当性比电缆好得多;同轴电缆的传输性能比较好,但使用距离最大90米,电缆外径大,也不易弯曲,影响安装使用,与之配套的电子设备和连接器件价格昂贵。

  随着POF制造技术和原材料制备技术的不断进步,POF的生产成本还会不断的降低;从目前的激光器、光电子集成器件、连接器的发展情况看,国内及国际 的相关技术进步很快,随着生产规模的不断扩大,相信发送接收器件的成本会有较大幅度的下降,使POF在接入通信中更具优势。

  三、塑料光纤国内研究进程

  塑料光纤的研究始于二十世纪60年代。1968年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤,但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤,其光损耗为3500dB/km,难以用于通信。

  80年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。1980年三菱公司以高纯MMA单体聚合PMMA,使塑料光纤损耗下降到 100-200dB/km。1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子,使最低光损耗可达到20dB/km,并可传输近红外到可见光的光波。

  1986年,日本Fujitsu公司以PC为纤芯材料开发出SI型耐热POF,耐热温度可达135摄氏度,衰减达450dB/km。

  1990年,日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型的塑料光纤,芯材为含氟PMMA、包层为含氟,用界面凝胶技术制造。

  该塑料光纤衰减在60db/km以下,光源650-1300nm,100m带宽3GHz,传输速率10Gb/s,超过了GI型石英光纤,并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介。

  1996年,人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层;1997年,日本NEC公司进行了155Mbit/s的ATM、LAN的试验。

  在2000年OFC会议上,日本ASAHI GLASS公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在850nm为41dB/km,在1300nm为33dB/km,带宽已达100MHz.km。用这种光纤 成功地进行了50m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70摄氏度长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离的通信使用要求。

  从国外的研究发展来看,塑料光纤的研究重点主要集中在以下三个方面:

  *降低光损耗;

  *提高带宽(由SI型转为GI型);

  *提高耐热性。(聚碳酸酯(PC)、硅树脂、交联丙烯酸和共聚物可使耐热性提高到125-150摄氏度)

  塑料光纤在衰减与带宽方面的最新实用进展为:日本ASAHI GLASS公司2000年7月称,该公司实施庆应大学的GI-POF技术商品化,采用全氟化聚合物CYTOP制造GI光纤,命名为GI-GOF,商品名为 Lucina,衰减速率3Gb/s,带宽大于200MHz.km。

  塑料光纤在耐热性方面的最新实用进展为:日本JSR与旭化株式会社联合发展耐热透明树脂ARTON(norbornene,冰片烯)制造的SI-POF,耐热170摄氏度,预计2001年上半年即可供应汽车市场。

  四、塑料光纤的标准化

  随着POF技术的日趋成熟,产品在通信系统中的应用量不断扩大,人们对POF的技术性能及标准化进行了深入的研究,并制订出相应的标准,为塑料光纤的产业化打下基础。

  ATM论坛于1997年5月通过155Mb/s POF和硬塑料包层的标准,标准规定;在传输距离为50米、用155Mbps速率传输时使用POF, 在传输距离为100米时,使用硬塑料包层石英光纤。该标准中规定的一种POF是一种芯层和包层材料的折射率差很小的低数值孔径POF。这种POF的带宽特 性随光入射条件的变化而变化,当全模激励时,传输距离为100m时为20MHz,带宽特性良好。

  五、塑料光纤短距离通信应用展望

  塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质,在未来家庭智能化、办公自动化、工控网络化。车载机载通信网、军事通信网的数据传输中具有重要的地位。

  通过塑料光纤,我们可实现智能家电(家用PC、HDTV、电话、数字成象设备、家庭安全设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等)的联网,达到家庭自 动化和远程控制管理,提高生活质量;通过塑料光纤,我们可实现办公设备的联网,如计算机联网可以实现计算机并行处理,办公设备间数据的高速传输可大大提高 工作效率,实现远程办公等。

  在低速局域网的数据速率小于100Mbps时,100米范围内的传输用SI型塑料光纤即可实现;150Mbps50米范围内的传输可用小数值孔径POF实现。

  POF在制造工业中可得到广泛的应用。通过转换器,POF可以与RS232、RS422、100Mbps以太网、令牌网等标准协议接口相连,从而在恶 劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。能够高速地传输工业控制信号和指令,避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险。

  POF重量轻且耐用,可以将车载机通信网络和控制系统组成一个网络,将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中,旅客还可通过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物、Internet等服务、

  在军事通信上,POF正在被开发用于高速传输大量的第三、保密信息,如利用POF重量轻、可挠性好、连接快捷,适用于在身配戴的特点,用于士兵穿戴式的轻型计算机系统,并能够插入通信网络下载、存储、发送、接收关键任务信息,且在头盔显示器中显示。

  综上所述,塑料光纤的应用领域越来越广,国外在塑料光纤的应用开发上已取得了较大的成果,且不断在在加大新的应用研究投入,我国亦应就塑料光纤的研究和发展予以密切注视。